optische Fernerkundung

Die optische Fernerkundung (im Unterschied zur Radarfernerkundung) erfasst die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung und die emittierte Thermalstrahlung in den sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereichen.

Da die Strahlung in der optischen Fernerkundung von natürlichen Energiequellen ausgeht, bezeichnet man die eingesetzten Sensoren als passive Sensoren.

Optische Sensoren können nach folgenden Kriterien unterschieden werden:

Aufnahmeverfahren (z.B. photographische Verfahren, Scanner)
abbildende oder nicht abbildende Sensoren
Plattform (z.B. Flugzeug, Satellit)
spektrale Auflösung (z.B. panchromatisch, multispektral, hyperspektral)
radiometrische Auflösung
räumliche Auflösung
zeitliche Auflösung

Optische Fernerkundungsdaten am Beispiel Sentinel-2

Die Sentinel-2 Satelliten nehmen das reflektierte Licht im sichtbaren und infraroten Spektrum in 13 Kanälen auf. Die Bänder mit 10 m Auflösung (Band 2, 3, 4 und 8) bauen auf den bestehenden Satellitenmissionen Spot-5 und Landsat-8 auf und eignen sich gut für Landbedeckungsanalysen. Die Auswahl der Kanäle wurde für die Beobachtung von Vegetation mit den Bändern mit 20 m-Auflösung optimiert (Band 5, 6, 7, 8a, 11 und 12). Dies wird deutlich, wenn man die Reflexionseigenschaften von einer gesunden Pflanze (grün) im Vergleich ansieht:

Reflexionseigenschaften einer gesunden Pflanze

Im sichtbaren Bereich absorbieren Blätter durch die Photosynthese besonders das blaue und rote Licht (und erscheinen uns daher folglich grün). Dagegen reflektieren sie die nahe Infrarotstrahlung fast vollständig.

Der Bereich dazwischen (690-730 nm), in dem sich die Reflexionseigenschaften „sprunghaft“ ändern, bezeichnet man auch als Red-Edge. Je höher die Chlorophyllkonzentration der Pflanze, desto größer ist die Absorption in diesem Bereich.

Quelle: GFZ 2020

Der Bereich dazwischen (690-730 nm), in dem sich die Reflexionseigenschaften „sprunghaft“ ändern, bezeichnet man auch als rote Kante oder geläufiger ist die englische Bezeichnung Red-Edge. Je höher die Chlorophyllkonzentration der Pflanze, desto größer ist die Absorption in diesem Bereich. Sentinel-2 hat im Red-Edge Bereich 3 Kanäle und 2 im Nahen Infrarot.

Bei der bildlichen Darstellung der Satellitenbilder werden meist drei Kanäle ausgewählt und diese in den RGB (Rot-Grün-Blau) -Farben wiedergegeben. Für Vegetationsbetrachtungen eignen sich besonders eine Kombination der Kanäle Nahe Infrarot (Band 8) in Rot, Rot (Band 4) in Grün und Grün (Band 3) in Blau dargestellt, diese Darstellung nennt man auch Falschfarbenbild. Je vitaler, desto mehr Reflexion im Nahen Infrarot (NIR), folglich weniger Blauanteil. Dadurch erscheinen diese Flächen in der Kombination knallrot.

Farbenkomposits

Links: „Echt“Farbenkomposit, R: Band 4 (rot), G: Band 3 (grün), B: Band 2 (blau)

Rechts: „Falsch“Farbenkomposit, R: Band 8 (NIR), G: Band 4 (rot), B: Band 3 (grün)

Quelle: GFZ 2020, Copernicus Sentinel-2 Daten der ESA

Anwendungsbereiche für optische Fernerkundungsdaten

Gewässer & Meere: Oberflächentemperatur, Trübung, Wasserstände, Überflutungsflächen, Eisbedeckung, Kunststoffmüll
Land Monitoring: zeitliche Veränderung der Landoberfläche
(Eisbedeckung, Waldflächen, Ackerflächen, Bebauung etc.), Umweltmonitoring
Landwirtschaft: Vorhersagen zu Pflanzenwachstum, Ernteerträge, Bodenparameter, Schadensevaluation, Ackerkulturen
Georessourcen & Georisiken: Bodenbewegung, mineralische Rohstoffe, Planung der Energiewende
Katastrophen & Krisenmanagement: Lageerfassung, Lagebeurteilung, Risikoanalyse, Schadensabschätzung und der Katastrophenbewältigung von Hochwasser, Sturmschäden etc.
Umwelt & Naturschutz: Vegetationsbestimmung und -Monitoring, Kontamination, Natura2000
Wald & Forstwirtschaft: Kohlenstoffquantifizierung, Entwicklungsphasen, Biomasseparameter, Baumarten, Stresssymptome,
Sturmschäden

Weitere Informationen:

SAMOWatt - Optische Satellitendaten für ein Monitoring im Wattenmeer (DeMarine)
Beispiele und Anwendungen von Copernicus-Daten (Copernicus)